前言：根据4月7至9日第13届世界风能大会上资深专家们的合理意见，现已将该装置样机设计进一步改进。本文是对在大会上相应发言的修改稿。

 

　　经济效益预计： 风力发电总投资增加3%，在风电场就能使叶片变形，风电量可多20%，一年内回收所增投资；变形装置生产税后利润为成本的一倍。

 

　　1 项目背景

 

　　为提高风能利用系数，近年出现了中低风速时面积变大、高风速时面积变小的各种新式叶片，例如，折叠式叶片（国电联合动力公司和清华大学的不同专利申请）、纵向伸缩式叶片（叶片根部伸缩，华锐风电公司的授权专利）和横向伸缩式叶片（叶片中部横向伸缩，西安交通大学的专利申请）。

 

　　2 项目技术先进性

 

　　本专利“水平轴式风力机变形叶片”（简称变形叶片，示意图见图1），是一种大中型叶片，它有主叶片和副叶片，主叶片和副叶片可以相对移动其位置，从而变化叶片表面积大小，其特征在于：副叶片与绳索相连接，绳索由定滑轮限位转向，副叶片是在绳索的作用下，沿着主叶片纵方向相对移动其位置的。副叶片可以是围绕着主叶片部分身段的薄板环套，该环套前沿二端有除冰雪刀。

 

　　① 中低风速时近叶尖处叶片面积增幅大，虽然，叶片转动阻力稍为增大，但风能利用系数均值仍能大幅度提高；

 

　　② 增加的相对成本和风险都很小 改装只是位于不重要地方的影响极小的“微创”（而上述折叠或伸缩式叶片是影响较大风险较大的“开肠剖肚”），而且，风电机除叶片外其它可以完全不变动，改装工艺简单易行；

 

　　③ 在野外的大中型风电场，是唯一可能现场对旧叶片进行快速变形改造的方案；

 

　　④ 变形叶片与原叶片的安全系数几乎一样，保持了现有水平轴式风力机叶片主要优点；

 

　　⑤在冬天可以有效地除去堆集在叶片前沿的大部分冰雪，降低了风阻；

 

　　⑥年风电量增幅大，可能共增加约20%。这是较理想的新能源重大创新，已通过国家级查新，已获中国实用新型专利权（发明专利待批）并正在申请多国专利。

 

　　3 首架样机的设计

 

　　现已经基本完成变形装置样机（80米直径1500千瓦额定风速13米/秒的水平轴式风电变形叶片）工程CAD图、工艺和安装设计，计划在三个月内按此设计完成样机试制、风电现场改装，开始发电试验。变形装置分五个部分：①副叶片；②副叶片升降驱动系统；③副叶片定位和限位系统；④除冰雪系统；⑤电器控制系统。

 

　　3.1 副叶片

 

　　这是可围绕着主叶片部分身段的薄板环套，长度近8米，变形后最大宽3.15米，可在近主叶尖段增加迎风面积10.8平方米，其主体用规格为0.6毫米×1米不锈钢板制成，为能够随主叶片弯曲而分成8段，只有相邻段副叶片前后沿，分别通过连接条相固定铆接。

 

　　3.2 副叶片升降驱动系统

 

　　主要由绞车（特制的卷扬机）、钢绳和相关的几组定滑轮装置（其装配草图见附件2.1、2.2）构成。绞车架由穿过主叶片根部壁面的几条螺栓固定。钢绳由直径11毫米拉回钢绳和6毫米拉去钢绳两部分连接而成；为了减少对主叶片气动效率的影响，拉回钢绳定滑轮位于主叶片尖约11米处，并且与钢绳一起全都安装在主叶片前沿旁；为了减轻绞车架所受的力矩，拉回钢绳在绞筒和绞车架之间沿着绞车架面伸出。经计算，对于主叶片任一断面，主叶片装上副叶片风速8米/秒时的最大弯矩，是未装副叶片13米/秒时的弯矩的80%，所以本样机副叶片的升降时刻，定为风速约6米/秒以下时升，约8米/秒时降。

 

　　为安装拉回钢绳定滑轮，主叶片前沿旁边开了一条纵向槽（见附件2.2），这是安装变形装置对主叶片创伤最大之处。经计算，该槽对所处叶片截面安全系数的减少约0.5%，因而该槽对主叶片强度的影响还是可忽略不计。

 

　　3.3 副叶片限位和定位系统

 

　　该系统是为了解决好副叶片在主叶片的不同位置时和升降过程中相对于主叶片的展开、收拢和晃动问题。

 

　　该系统有：

 

　　①副叶片滑轨条及其限位板装置（其装配草图见附件3.1、3.2）——副叶片滑轨条固定于副叶片内前沿旁；主叶片前沿旁边有间隔式轨道：每隔几百毫米远固定有一个滑轨条限位板，该限位板用约1毫米不钢钢薄板制成，钢绳可拉着滑轨条和副叶片沿此限位板升降，副叶片升降到位时，双向拉紧的钢绳使副叶片前边沿不能沿风轮径向晃动，滑轨条限位板使副叶片前边沿不能沿风轮轴向晃动；

 

　　②前后定位板——为了让副叶片容易套入和风阻小，用约0.7毫米不锈钢薄板制成，底部固定箍装在主叶片表面上，使副叶片前后面被限位而不能沿风轮轴向晃动，并对形成预设的翼形断面有主导作用。该预设的翼形断面与相应主叶片断面相比，形状相似，而具有相同的气动效率。

 

　　③左右定位杆及其轨道装置（见附件1、4）——装在主叶片后沿上，位于主叶片外后沿和副叶片内后沿之间；定位杆至少并列有二条，其一端由定位杆滑块与该轨道滑动铰连，另一端与副叶片后沿加强板铰连；

 

　　④径向定位锁卡（见附件1）——主叶片后沿有近远二个径向定位锁卡，副叶片连同定位杆升降到位时，这二个近远锁卡分别通过定位杆，将副叶片后边沿锁定而不能沿风轮径向晃动。远定位锁卡和定位杆一起，对副叶片还有展开撑大、左右定位形成预设的翼形断面有辅助性作用。近远锁卡的开关均由弹簧和细钢绳控制，该钢绳通过一个滑轮与安装在铰车架的锁卡电机连接并由其提供动力。这样该锁卡的开关动力可以足够大。

 

　　⑤钢绳限位滑套（见附件3.2）——有二种不同结构，装在主叶片边沿旁有钢绳经过的地方，以防止钢绳过于晃动。

 

　　3.4 除冰雪系统

 

　　可能碰上冰雪天的变形叶片应装上该系统，以确保副叶片的升降顺利和减少冰雪对发电量的影响。该系统有：①前后除冰雪刀——分别位于副叶片滑轨条前沿二端和左右定位卡滑块的二端，会随着副叶片的升降铲除主叶片前后沿的大部分冰雪；②钢绳慢动装置（其装配草图见附件2.1）——这是在零度以下气温时，主叶片根部内的钢绳慢动电机能使钢绳被小幅度慢慢拉来拉去的装置，让主、副叶片前沿轨道间隙和钢绳与其限位套间隙内的水结不成硬冰。

 

　　3.5 电器控制系统

 

　　显然，绞车电机、锁卡电机和钢绳慢动电机都是需要自动控制的电器，钢绳慢动电机电路的开关由温控开关控制，其它电机电路开关都通过与风机转速关联的特制离心力电开关和时间继电器控制。该离心力电开关（其装配草图见附件5）安装在主叶片内壁，距离轮毂中心约7米，可确保副叶片按时升降。为避免升降过于频繁，设计副叶片在风速降至约6米/秒以下后，延时若干小时才能够升，风速升至近8米/秒时降。另外还设遥控电路，可在风塔下人工遥控。

 

　　3.6 其它

 

　　①防雷装置——将绞车与主叶片根部原有引雷线接好，副叶片上的雷电可以沿钢绳和此接头到达原有引雷线。由于计算得雷电经此钢绳和接头的电阻不到0.4欧姆，小于引雷电路电阻经验值2欧姆，所以，就算全部雷电都从钢绳通过，还是安全的，因此无需专门另加防雷装置。②电池——视具体情况考虑是否与主叶片变桨共用原动力电池。③在主叶片前沿旁、后沿上共装有200个M6螺钉；在主叶片有加强钢套的根部共装有M16螺栓16个及6个16毫米孔。由于设计在主叶片边沿装各个螺钉和轨条前夕，要向螺孔内和轨条底间隙注涂粘合剂，所以，这些“微创”对主叶片强度影响可以忽略不计。④一个叶片变形装置总重约510公斤，不到一个主叶片重量的9%，相应使风轮发电机主轴和塔架弯曲安全系数降低不到9%，但该轴和塔架安全系数都是远大于叶片安全系数2的，应当不会出问题。

 

　　4 项目效益

 

　　4.1 叶片变形装置制造商效益

 

　　以一套1.5兆瓦三叶片变形装置为例，制造和现场卸装成本共约20万元，因能使风电公司效益大增而售价30万元，税后利润约9万元/套， 即每兆瓦容量税后利润约6万元。

 

　　4.2 发电企业新增效益

 

　　发电增量估计 本样机在近主叶尖约8米长的一段迎风面积增加约11平方米， 即相当于该段主叶片面积增加了一倍多，而该段主叶片对风电量的贡献约占50%，以此估计出平均风速6米/秒时功率增加率约0.28。以本文作者现场考察过的广西资源县金紫山风电项目（中国第一个高山风电项目）为例，一期工程已安装33台1.5兆瓦的风力发电机组，年上网实际发电量9500多万千瓦时，即每1.5兆瓦容量年风电量288万度。设该风区8米/秒风速以下时段全年达8000小时，若此时段平均风速6米/秒、1.5兆瓦机平均发电功率235千瓦，装上副叶片后功率增加235千瓦×0.28=66千瓦，年发电增量66千瓦×8000小时=53万度，得增量53万度/288万度=18.4%，考虑除冰雪增加的风电量，和钢绳和前后定位板等附加零件减少的风电量后，共增风电量约20%。

 

　　若按1.5兆瓦风电容量、购置改造卸装费用30万元（相当于1.5兆瓦风电一般总投资1000万元的3%）、发电量增20%、上网风电费0.55元/度（国家定价0.5至0.6元）计算，则可得：①每1.5兆瓦容量年新增发电效益31.7万元。②改装费用投资回收期约一年。③若2020年后每年有0.25亿千瓦容量（全球3.3%的风电机）改装成“变形叶片”机，则年均新增风电效益52.8亿元/年。

 

　　5 项目实施方式

 

　　已和大唐电力下属广西桂冠开投电力公司签订了合作协议，还要欢迎多家风电和风险投资等有较强相关能量的单位或个人支持合作研发（主要内容是为风电现场免费将一台大型旧风电机改装为全球第一台变形叶片风电样机），合作支持方式不限，专利效益共享。

 

　　本文作者：陆中源，原广西轻工业厅职工技协秘书长、退休高工